探究物理：遨遊電子王國

多功能半導體

一提起半導體，人們自然會想到導體、絕緣體。導體就是能夠讓電流通過的物質，像銅、銀、鐵等金屬材料都是良好的導體。而絕緣體是不能夠使電流通過的物質，像玻璃、橡膠、陶瓷等就是大家較為熟悉的絕緣體。半導體是相對導體和絕緣體而言的，人們通常把導電程度介於導體和絕緣體之間的物質稱為「半導體」。

目前，科學家已經發現具有半導體性質的物質有鍺、矽、砷化鎵、磷化鎵、磷砷鎵、銻化銦、硫化鎘、碲鎘汞、鈦酸鋇、碲化鉍等。另外，還發現一些有機化合物也具有半導體的性質。科學家還研究生產出了具有半導體性質的玻璃、陶瓷等等。科學家為了研究的方便，又把這些半導體材料分門別類。一般來講，由一種元素組成的半導體材料叫作「元素半導體」，像鍺和矽就是元素半導體的典型代表；由兩種以上的化學元素組成的半導體，叫作「化合物半導體」，最典型的要算是砷化鎵、磷化鎵和磷化銦了。

半導體材料已經成為一門新興且獨立的材料科學，得到了飛快的發展。半導體材料對於雜質有非常敏感的效應，在常溫下一個高值的半導體矽材料，電阻率為20 萬歐姆/公分，當摻入1/106微量的雜質時，它的導電能力會一下提高20多萬倍。另外，半導體材料的導電能力，受溫度的影響也很明顯，像矽這樣的半導體材料在200°C情況下，要比常溫下的導電能力提高幾千倍。半導體材料對於光照也非常敏感，如硫化鎘在一般燈光的照射下，它的導電能力可提高幾十倍至幾百倍。除此之外，一些半導體材料還具有發光的特性，當對某些半導體注入一個特定電流之後，它們就會發射出紅、橙、黃、綠、藍等不同顏色的光。也有一些半導體材料對於某種氣體有著獨特的吸附作用，一旦吸附了這些氣體就會使它的導電性質發生變化。某些半導體材料在特定的條件下，對所處系統的壓力有著非常高的敏感性等等，這些特性不勝枚舉。正因為半導體材料具有這些特殊的性質，才使得它在短短的幾十年中，得到飛快的發展，為人類作出了獨特的貢獻。1948年人們第一次製作出了點接觸電晶體。1950年製作出了鍺單晶，不久又製作出矽單晶。1961年人們又用半導體矽材料製作出了幾種半導體電路。直到現在已經用半導體矽材料成批生產出了大型積體電路，用這些電路製造了電子電腦、機器人等。在只有指甲那麼大的矽片上，作出了50萬個元件，這種元件密度可以與人腦細胞密度相比。

在微波通訊領域裡，砷化鎵半導體材料作出了不可忽視的貢獻。1963年在砷化鎵體內發現了體效應，利用這種效應可以產生微波振盪。於是人們利用砷化鎵製成了幾十種微波器件。現在正向微波積體電路的方向迅速發展。

利用半導體材料製成的發光器件更是數不勝數了，磷化鎵可以製造發綠光的器件，氮化鎵又可以製出發藍光的器件，碲鎘汞這種半導體材料又可製成紅外探測器件。利用這些顯示器件可以作成顯示幕，為現代化的儀器儀錶增添了光彩。

氣敏半導體器件是半導體材料另一新的應用。這種器件是採用氧化鋁這類半導體材料製成的。它吸附微量的氣體後，便可以改變器件的導電特性。用這種氣敏半導體器件可以檢測出百分之幾的微量氫氣、甲烷、一氧化碳以及汽油、酒精、乙醚等可燃、易爆、有毒的氣體，可用於化工廠的管道探漏、環境監控、安全防火等自動警報裝置。

半導體碲化鉍是一種良好的半導體製冷材料，可以製成半導體製冷元件，也可以組裝成各式各樣的製冷裝置，像半導體凝固點測試儀、半導體冰箱、冶金工人戴的冷帽、醫學上的冷凍切片、手術用的冷床、冷被、白內障摘除器和皮膚病的冷療器等。

隨著世界性的能源緊缺，人們開始尋找新的能源為人類服務，半導體材料將在其中扮演重要的角色。在美國田納西州諾克斯維爾市召開的世界能源博覽會上，一艘光彩奪目的龍船吸引著世界各地的參觀者，其實這並不是一艘輝煌的中國古代龍船，而是一艘新穎的太陽能遊艇。遊艇的動力就來自船頂上的兩塊滑蓋式的太陽能電池板，功率可達200瓦。這種電池板就是利用半導體矽材料製成的。這種矽太陽能電池還可用於人造衛星、太空船等太空技術，既可以減輕重量又節約了能源。矽太陽能電池也可用於沙漠、高山等缺乏能源的地區。目前，世界上正在研究非晶態矽，以探索低成本的太陽能電池生產工藝。可以預測，半導體材料在解決世界能源問題上將會占有重要的位置。

當然，半導體積體電路，大規模、超大型積體電路的研究製造，微波器件、微波積體電路、半導體發光器件等等更是離不開半導體材料。據統計，全世界多晶矽的生產能力已經超過5,000噸，其中美國大約占2,500噸。中國也把發展大型積體電路作為重點項目。

多功能半導體

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目前，科學家已經發現具有半導體性質的物質有鍺、矽、砷化鎵、磷化鎵、磷砷鎵、銻化銦、硫化鎘、碲鎘汞、鈦酸鋇、碲化鉍等。另外，還發現一些有機化合物也具有半導體的性質。科學家還研究生產出了具有半導體性質的玻璃...

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